央视节目里，这项我国积累了15年的技术终于井喷-科工力量

【文/ 科工力量专栏作者 高航】

2017年11月10日，中央电视台科教频道的《我爱发明》节目披露了航天科技集团某单位自主研发搅拌摩擦焊设备并成功用于我国新型大型运载火箭氧化剂和燃料贮箱的焊接；无独有偶，中国兵器工业集团武汉重工集团也于近日与航天科技集团首都航天机械公司签订了重型运载火箭大型薄壁贮箱的搅拌摩擦焊设备订单。这标志着在经历了15年的漫长积累之后，我国的搅拌摩擦焊技术迎来了井喷式的发展。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是英国焊接技术研究所(The Welding Institute Ltd., TWI)于1991年发明的新型焊接技术，其原理如下图所示。

搅拌摩擦焊原理图

一根安装在主轴上的形状特殊的（一般是蜗杆形式的）搅拌针(Welding Pin)在一定压力下被旋转着插入焊缝位置，搅拌针的长度一般比焊缝深度略浅，以保证主轴的轴肩能紧贴被焊接工的件表面。此时由于工件与搅拌针和轴肩（主要是后者）摩擦生热，焊缝附近的材料受热产生严重的塑性变形，但是并不熔化，只是成为一种“半流体”的状态，随着主轴带着搅拌针沿着焊缝走向进给，搅拌针不断把已经处于热塑性状态的材料搅拌到身后，主轴离开后，这些材料冷却固化，从而形成一条稳定的焊缝。

众所周知，以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空器和航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都很差，传统的各种熔焊工艺都不可能从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷的产生，需要靠操作者具有高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气，这对操作者的身体健康也是一大威胁。而搅拌摩擦焊的出现则从根本上解决了这些问题。

首先，由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低，被焊接的材料只是受热软化成为热塑性状态而不熔化，所以搅拌摩擦焊能彻底解决热裂纹、气孔和夹渣等传统熔焊无法根治的问题；基于同样的原因，搅拌摩擦焊不会产生高温和有毒的气体，对操作者的健康和工作环境比传统熔焊要友好得多；

其次，相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成铸造形态组织，搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件施加一个很大的压力，所以在焊缝附近得到的是锻造形态组织，这种组织比铸造形态组织致密得多，因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多；

而搅拌摩擦焊最大的优势莫过于其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能，所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形，从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据，这是任何传统焊接工艺都望尘莫及的；基于同样的原因，搅拌摩擦焊设备的自动化也变得颇为容易，目前国内外都发展出了一系列搅拌摩擦焊设备和搅拌摩擦焊机器人；

此外，搅拌摩擦焊不需要焊料，这节约了不少成本，因为高端焊料往往都是非常昂贵的。

当然，搅拌摩擦焊也有不少局限性，如只适合焊接熔点相对较低的材料（如铝合金、镁合金或者铜合金）；由于搅拌针要插入焊缝，焊接后必然留有一个小孔（近年来发展的伸缩式搅拌头可以解决此问题）；工件需要以很大的紧固力固定在工作台上，并以很大的压紧力压紧，可能造成额外的变形；对于异形焊缝的焊接速度较慢，搅拌针和轴肩材料损耗速度较快等等。

由于搅拌摩擦焊的这些特点，使其在问世不久之后就成为了航空航天制造领域的新宠儿，被广泛应用于大型薄壁结构的焊接领域。1998年，美国的波音公司从英国引进了该项技术，并成功用于德尔塔和大力神火箭的贮箱焊接；无独有偶，在波音公司研发生产的F-15战斗机和C-17运输机上，搅拌摩擦焊技术也得到了不少应用——C-17的载货斜坡地板和F-15的尾翼整流罩都是搅拌摩擦焊的杰作。

C-17运输机的载货斜坡地板就是搅拌摩擦焊的杰作

我国在紧跟美国从英国引进了搅拌摩擦焊技术之后，于2002年开始了相关设备的自主研发。迄今为止，我国已经发展了多种悬臂式和龙门式搅拌摩擦焊设备，搅拌针也实现了家族化和系列化。

如我国自主研发的第一台搅拌摩擦焊设备的工作台尺寸就达到了1500mm×920mm，最大焊接厚度为15mm，主轴的转速和进给速度都实现了无级调速——转速范围为100r/min至3000r/min，而进给速度范围则为0到1300mm/min；主轴的最大倾斜角为5°，现已成功应用于多个国家重点型号的生产制造。

此外，我国也紧跟国际潮流，开展了钛合金搅拌摩擦焊设备与工艺等基础性的预先研究，在多晶立方氮化硼(PCBN)搅拌针的生产工艺等关键与核心技术方面取得了不少进展，目前我国正在试验的钛合金搅拌摩擦焊的接头强度可达母材的90%，有望在不久的将来服务于我国的航空航天制造领域。

我国自主研发的搅拌摩擦焊设备

而此次武汉重工集团自主研发的新型设备则使得我国的搅拌摩擦焊设备水平站上了一个全新的高度。根据中国兵器工业集团官方微信公众号介绍，这套设备采用移动式龙门结构，集自动装夹、定位、铣削和搅拌摩擦焊等多种功能为一体，实现了对直径为10m，起飞重量超过3000t的重型运载火箭的超大型薄壁贮箱装配焊接零部件的多种材料、多工位和多工序的智能化生产，大大提高了生产制造的效率和质量。

更为可喜的是，我国的搅拌摩擦焊技术不仅能满足国内相关企业的需求，还实现了对外技术输出。如中航工业北京制造工程研究所就为同为航空航天大国的某友好邻邦提供了该国的第一套搅拌摩擦焊设备，这是该国经历重大变故20多年来首次获得新型焊接技术，特别是在其饱受经费短缺和西方制裁之苦的大背景下，这一技术输出可谓雪中送炭，解了友邦的燃眉之急。

展望未来，随着我国航空航天制造事业的蓬勃发展，厚积薄发的搅拌磨檫焊技术必将获得更为广泛的应用。特别是在我国还将该技术用在了高铁车身的制造方面，成功实现了搅拌摩擦焊技术的军转民。在“军民融合”上升为国家战略，“中国制造2025”方兴未艾的今天，源自于“军”并将服务于“民”的搅拌摩擦焊技术将和诸多先进制造技术一道，为早日把我国发展成为工业强国贡献自己的力量。

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